Sản xuất và tiêu dùng bền vững

Thứ năm, 07/11/2024 | 17:18 GMT+7

Tin hoạt động

Phần 2: Tiết kiệm năng lượng trong chưng luyện - Phương pháp kết nối nhiệt

04/07/2016

Một tháp chưng luyện thông thường có khả năng tách được hỗn hợp hai chất lỏng thành hai sản phẩm tinh khiết. Tuy nhiên trong thực tế, rất hiếm khi có hỗn hợp 2 chất mà thường là hỗn hợp 3, 4 chất, nhiều khi tới chục chất trong cùng một hỗn hợp. Chính vì vậy, để có được những sản phẩm tinh khiết, phải sử dụng hệ thống tháp chưng luyện.


Các sơ đồ tách 3 cấu tử thông thường

Nếu xem xét quá trình tách một hỗn hợp 3 cấu tử thành 3 sản phẩm tinh khiết, có thể đi theo các sơ đồ tách như hình trên. Nhìn vào các sơ đồ này, có thể dễ dàng nhận thấy có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các tháp do nồng độ các chất khác nhau, các cấu tử ở các tháp cũng khác nhau. Do vậy, phương pháp được đưa ra là dùng nhiệt thải của tháp trước để gia nhiệt cho tháp sau trong hệ thống. Đây chính là phương pháp kết nối nhiệt giữa các tháp chưng luyện. Tuy nhiên bài toán đặt ra là làm cách nào để thực hiện trao đổi nhiệt giữa hai tháp. Có hai phương pháp đã được đưa ra:

•    Kết nối nhiệt gián tiếp: Là phương pháp sử dụng nhiệt do hơi bay ra từ đỉnh tháp trước để đun sôi cấp hơi ở đáy của tháp sau thông qua một thiết bị trao đổi nhiệt. Như vậy có thể thấy ta vừa có thể tận dụng được nhiệt thải, vừa tiết kiệm được một thiết bị trao đổi nhiệt. Để thực hiện được phương pháp này, trong khi tính toán phải thiết kế để nhiệt độ đỉnh tháp trước và đáy tháp sau có sự chênh lệch nhiệt độ đủ đảm bảo khả năng trao đổi nhiệt. Hiện tại công nghệ kết nối nhiệt gián tiếp cũng đã được áp dụng tại dây truyền phân ly không khí Air Liquid ở nhà máy Đạm Ninh Bình và nhiều nhà máy khác.

•    Kết nối nhiệt trực tiếp: Lúc này, dòng hơi đi ra từ tháp trước được đưa trực tiếp vào đáy tháp sau để thay thế dòng hơi được cung cấp bởi thiết bị đun sôi đáy, dòng lỏng tháo ra ở tháp sau được hồi lưu về đỉnh tháp trước. Với các sơ đồ tách 3 cấu tử, hoàn toàn có thể sử dụng được phương pháp. Dưới đây là áp dụng phương pháp kết nối nhiệt cho sơ đồ ba tháp bằng cách kết nối trực tiếp tháp thứ 2 và thứ 3.


Mô hình kết nối nhiệt trực tiếp cho sơ đồ 3 tháp


Có thể nhận thấy rằng, phương pháp này vừa tận dụng được nhiệt thải, lại vừa xóa bỏ được nhiều thiết bị trao đổi nhiệt. Tuy nhiên phải đảm bảo các dòng vật chất đi từ tháp trước sang tháp sau không làm ảnh hưởng đến quá trình tách của tháp. Một giải pháp tiết kiệm hơn nữa khi kết nối nhiệt trực tiếp cho sơ đồ 3 tháp chính là xóa bỏ thiết bị đun sôi và ngưng tụ ở tháp đầu tiên như hình b. Đây chính là mô hình được đề xuất vào năm 1965 bởi nhà khoa học Petlyuk. Bằng việc sử dụng một bức tường ngăn cách, mô hình này hoàn toàn có thể đưa vào một thiết bị chung được gọi là tháp chưng luyện có vách ngăn chia đôi (Divided Wall Column)

Tháp DWC là một thành tựu của ngành công nghệ hóa chất. Tháp DWC đầu tiên được xây dựng và đưa vào hoạt động tại BASF ở Ludwigshafen, Đức vào năm 1985. Tính đến năm 2010 đã có tới hơn 125 tháp DWC hoạt động trên toàn cầu, trong đó có 116 tháp dùng để tách hỗn hợp ba cấu tử, còn lại là sử dụng cho các quá trình tách hỗn hợp nhiều hơn ba cấu tử. Hầu hết trong số các tháp đang được vận hành trong các nhà máy của BASF trên toàn thế giới (khoảng hơn 70 tháp) với áp suất hoạt động từ 2 mbar đến 10 bar và phạm vi đường kính từ 0,6m đến 4m. Tháp DWC lớn nhất tính đến năm 2011 được xây dựng bởi Linde AG cho Sasol ở Johannesburg, Nam Phi với chiều cao 107m với đường kính lớn hơn 5m.


Số tháp DWC được phân phối bởi Montz tới năm 2009.

Phần nhiều các tháp DWC trên thế giới được chuyển giao bởi J.Montz GmbH trong đó chiếm phần lớn là các tháp vận hành bởi BASF. Số tháp phân phối bởi tập đoàn này theo thời gian được thể hiện trên hình 3. Vào năm 1996 với việc áp dụng công nghệ vách ngăn không hàn, số lượng tháp DWC tăng với tốc độ nhanh hơn.


Quá trình lắp đặt tháp DWC tại Maleta (nguồn internet)
 
Việc xây dựng tháp DWC đầu tiên tại BASF đánh dấu một mốc quan trong trong sự phát triển của công nghệ chưng luyện. Việc triển khai này đi kèm với bằng sáng chế mô hình tháp DWC cấp bởi Đức và châu Âu cho G.Kaibel của BASF AG vào năm 1984. Với các công nghệ cần thiết và bí quyết cơ khí được phát triển dưới sự hợp tác giữa hai tập đoàn BASF và Montz thì gần một nửa số bằng sáng chế trong lĩnh vực này được sở hữu bởi liên minh này. Trong đó BASF chủ yếu đảm trách phần công nghệ, Montz đảm nhận phần chế tạo. Tuy nhiên ưu thế này dần dần được xóa bỏ bởi các đối thủ làm cho chính sách của hai tập đoàn này thay đổi.

Khi công nghệ vách ngăn không hàn ra đời vào những năm 1990 đã dẫn đến một sự đột phá về công nghệ. Lúc này có thể chế tạo tháp với nhiều vách ngăn bên trong, tạo ra nhiều khoảng nối các không gian trong tháp, từ đó ta có thể áp dụng để tách hỗn hợp nhiều hơn ba cấu tử thành các sản phẩm có độ tinh khiết cao.

Hiện nay với ưu thế của mình công nghệ tháp DWC ngày càng được áp dụng rộng rãi, số lượng tháp DWC càng được sử dụng nhiều trong công nghiệp.

Bằng cách sử dụng hai phương pháp đã nêu, vấn đề tiết kiệm năng lượng trong công nghệ chưng luyện đã phần nào được giải quyết. Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều các tháp chưng luyện truyền thống đã và đang hoạt động trên thế giới. Do đó vấn đề này vẫn rất cần được sự quan tâm của các chuyên gia và chính phủ các nước.

Bài viết liên quan: Phần 1: Tiết kiệm năng lượng trong chưng luyện - Phương pháp bơm nhiệt
Khánh Hòa